3.1 设计电压和电流检测电路

[叮]

[呼]

在培训系列的TIDA-010036硬件设计部分的

视频中，我们

讨论了参考设计中使用的电路，

将电源电压和电流转换为

ADS131M04可以检测的电压范围。

电源的标称电压为

100伏至240伏，因此

需要按比例缩小，以便由ADC检测。

在这里，我们看到设计中

用于此电压调节的模拟前端。

由于ADS131M04可以接受负电压，

因此不需要杠杆变速器。

在该电路中，J22是施加电压的地方。

在电压模拟前端，

有一个尖峰保护器压敏电阻，R34，

电磁干扰滤波器差拍的覆盖区，

电阻器覆盖区R29和R37，分压器网络…

R30、R31、R32和R35…

以及RC低通滤波器，R33、R36、C40、C41和C42。

当PGA增益为1时，建议

馈入ADS131M04的电压

介于正负1.2伏之间。

然而，将大幅低于该值的峰值电压

施加到该设备上以最小化

电压电流串扰。

在较低电流下，如果未执行

功率偏移校准，则比起电压精度

电压 - 电流串扰会对有功电量精度有更大影响。

为了在此设计中最大限度地

提高这些较低电流的精度，

整个ADC范围不会被用于电压通道。

由于ADS131M04设备的ADC是高精度ADC，

因此在本设计中使用减小的

电压通道ADC范围仍可提供足够的

测量电压精度。

此处显示的V ADC公式计算馈送到

电压ADC通道的差分电压范围，

用于给定的电源电压

和选定的分压器电阻值。

基于所选择的电阻，230伏的标称RMS电压

导致正或负246毫伏之间的

电压被馈入ADC，

如果存在过压条件，这样仍会留有余量。

顶部的图片显示了用于CT电流通道的

模拟前端，其中

CT的正极或负极引线

连接到接头J26的引脚1和3。

电流的模拟前端设置了

电磁干扰滤波器差拍、

R48和R57、电流互感器

负载电阻R51和R56

以及RC低通滤波器R49、R58、C52、C53和C54的覆盖区

其会被用作抗混叠滤波器。

还有覆盖区U12和U13，

如果需要，其可以用TVS0500替换，

以作为电压增高的补充保护。

如电路所示，电阻器R51和R56

是负载电阻器，它们彼此串联。

为了获得最佳的THD性能，与其使用一个负载

电阻，不如使用串联的

相同负载电阻，其中元件连接到地。

分压负载电阻配置

可确保馈入ADC正或负端的

波形彼此异相180度，

这将为该ADC提供

最佳THD结果。

V ADC，CT公式显示了在给定了最大电流、

CT匝数、比率和负载电阻值的情况下，

如何计算馈送到电流ADC通道的

差分电压范围。

基于R51和R56的值等于

6.49，总负载电阻值为12.98欧姆。

基于100安培的最大电流、CT匝数、

2,000的比率和12.98欧姆的总负载电阻，

当电流表的最大电流额定值，

也就是100安培时，当前ADC的

输入信号具有正负917.7毫伏的

电压摆幅。

针对用于CT电流通道的循环PGA增益为1，

该正负918毫伏最大输入电压

完全在设备的正负1.2伏

输入范围内。

顶部的图片显示了用于分流器的

电流通道的模拟前端，其中

分流器的正极引线、分流器的负极引线

和分流器的接地线被连接到引脚1、3

和2。

这里显示的电路类似于

CT通道所示的电路。

除了51和R56负载电阻

现在被移除，因为使用的是分流器而不是CT。

由于负载电阻已被移除，

因此CT不应连接到此通道，

因为它会导致较大的输出电压，

从而可能损坏仪表。

V ADC，分流器公式显示了如何

计算馈送到当前ADC通道的差分电压范围，

以获得给定的最大电流

和显示值。

基于V ADC范围，应通过查看

右侧的满量程范围表来选择正确的PGA增益，

以找到V ADC、

分流电压之间的两个增益范围。

根据这两个增益值，应选择较低增益设置

作为分流通道的

所选PGA增益。

该增益值将最大化ADC范围，

而不会在较高电流下发生饱和。

作为这个过程的一个例子，

假设我们有一个100安培的最大RMS电流和一个200微欧的分流器。

基于这些值，V ADC、分流器

在正负28.3毫伏之间变化。

该电压范围介于最大正负

37.5毫伏电压，其增益为32，

和正负18.75毫伏（PGA增益为64）之间。

因此，分流通道的PGA增益被设置为32.。

对于在设计中完成的测试，使用了100

微欧姆和200微欧姆的分流器。

以下是设计的一些布局指南

和原理图。

一些通用的布局建议

包括使用接地层而不是接地线

将耦合电容放置在更靠近相关引脚的位置，

最大限度地减少接地层中的切口，

并确保接地层之间有良好的

缝合。

针对ADS131M04，以及通常具有

差分输入对的设备的一个特定建议

就是保持ADC通道的两条走线

对称且彼此靠近。

例如，在这里，您可以看到ADC通道

AIN1N和AIN1P引脚的走线。

注意这些迹线在布线方面

是如何彼此对称并且彼此接近的。

另一个建议是首先将当前通道

放在一起，然后将电压通道

放在一起。

这样做是为了最小化

来自电压电流电路的串扰，

如果执行功率相反的计算，

则可以在低发生时降低有功电量精度。

例如，对于使用四个通道的两相应用，

将ADC通道01分配为电流通道，

将通道2和3分配给电压通道，

或将ADC通道01分配给电压通道，

将通道2至3分配给电流通道。

另外，ADS131M04引脚输出时要注意的一点是

ADS131M04上的AINxP和AINxN引脚

从一个转换器切换到另一个转换器时的顺序。

例如，注意引脚3是AIN0P，引脚4是AIN0N。

但引脚5是AIN1N，引脚6是AIN1P。

在此设计中，交换顺序

通过交换连接到电压和电流端子的

导线的连接顺序来处理。

举个例子，请注意，在PCB上，

J26标题左侧为负，

右侧为正。

但其他当前终端，J25，左侧为正，

右侧为负。

负和正文本

用于指示连接

电流传感器的负端子

和正端子的位置。

因此，这表明当前传感器的

连接顺序从一个通道

交换到下一个通道。

[叮]

[呼]

在培训系列的TIDA-010036硬件设计部分的

视频中，我们

讨论了参考设计中使用的电路，

将电源电压和电流转换为

ADS131M04可以检测的电压范围。

电源的标称电压为

100伏至240伏，因此

需要按比例缩小，以便由ADC检测。

在这里，我们看到设计中

用于此电压调节的模拟前端。

由于ADS131M04可以接受负电压，

因此不需要杠杆变速器。

在该电路中，J22是施加电压的地方。

在电压模拟前端，

有一个尖峰保护器压敏电阻，R34，

电磁干扰滤波器差拍的覆盖区，

电阻器覆盖区R29和R37，分压器网络…

R30、R31、R32和R35…

以及RC低通滤波器，R33、R36、C40、C41和C42。

当PGA增益为1时，建议

馈入ADS131M04的电压

介于正负1.2伏之间。

然而，将大幅低于该值的峰值电压

施加到该设备上以最小化

电压电流串扰。

在较低电流下，如果未执行

功率偏移校准，则比起电压精度

电压 - 电流串扰会对有功电量精度有更大影响。

为了在此设计中最大限度地

提高这些较低电流的精度，

整个ADC范围不会被用于电压通道。

由于ADS131M04设备的ADC是高精度ADC，

因此在本设计中使用减小的

电压通道ADC范围仍可提供足够的

测量电压精度。

此处显示的V ADC公式计算馈送到

电压ADC通道的差分电压范围，

用于给定的电源电压

和选定的分压器电阻值。

基于所选择的电阻，230伏的标称RMS电压

导致正或负246毫伏之间的

电压被馈入ADC，

如果存在过压条件，这样仍会留有余量。

顶部的图片显示了用于CT电流通道的

模拟前端，其中

CT的正极或负极引线

连接到接头J26的引脚1和3。

电流的模拟前端设置了

电磁干扰滤波器差拍、

R48和R57、电流互感器

负载电阻R51和R56

以及RC低通滤波器R49、R58、C52、C53和C54的覆盖区

其会被用作抗混叠滤波器。

还有覆盖区U12和U13，

如果需要，其可以用TVS0500替换，

以作为电压增高的补充保护。

如电路所示，电阻器R51和R56

是负载电阻器，它们彼此串联。

为了获得最佳的THD性能，与其使用一个负载

电阻，不如使用串联的

相同负载电阻，其中元件连接到地。

分压负载电阻配置

可确保馈入ADC正或负端的

波形彼此异相180度，

这将为该ADC提供

最佳THD结果。

V ADC，CT公式显示了在给定了最大电流、

CT匝数、比率和负载电阻值的情况下，

如何计算馈送到电流ADC通道的

差分电压范围。

基于R51和R56的值等于

6.49，总负载电阻值为12.98欧姆。

基于100安培的最大电流、CT匝数、

2,000的比率和12.98欧姆的总负载电阻，

当电流表的最大电流额定值，

也就是100安培时，当前ADC的

输入信号具有正负917.7毫伏的

电压摆幅。

针对用于CT电流通道的循环PGA增益为1，

该正负918毫伏最大输入电压

完全在设备的正负1.2伏

输入范围内。

顶部的图片显示了用于分流器的

电流通道的模拟前端，其中

分流器的正极引线、分流器的负极引线

和分流器的接地线被连接到引脚1、3

和2。

这里显示的电路类似于

CT通道所示的电路。

除了51和R56负载电阻

现在被移除，因为使用的是分流器而不是CT。

由于负载电阻已被移除，

因此CT不应连接到此通道，

因为它会导致较大的输出电压，

从而可能损坏仪表。

V ADC，分流器公式显示了如何

计算馈送到当前ADC通道的差分电压范围，

以获得给定的最大电流

和显示值。

基于V ADC范围，应通过查看

右侧的满量程范围表来选择正确的PGA增益，

以找到V ADC、

分流电压之间的两个增益范围。

根据这两个增益值，应选择较低增益设置

作为分流通道的

所选PGA增益。

该增益值将最大化ADC范围，

而不会在较高电流下发生饱和。

作为这个过程的一个例子，

假设我们有一个100安培的最大RMS电流和一个200微欧的分流器。

基于这些值，V ADC、分流器

在正负28.3毫伏之间变化。

该电压范围介于最大正负

37.5毫伏电压，其增益为32，

和正负18.75毫伏（PGA增益为64）之间。

因此，分流通道的PGA增益被设置为32.。

对于在设计中完成的测试，使用了100

微欧姆和200微欧姆的分流器。

以下是设计的一些布局指南

和原理图。

一些通用的布局建议

包括使用接地层而不是接地线

将耦合电容放置在更靠近相关引脚的位置，

最大限度地减少接地层中的切口，

并确保接地层之间有良好的

缝合。

针对ADS131M04，以及通常具有

差分输入对的设备的一个特定建议

就是保持ADC通道的两条走线

对称且彼此靠近。

例如，在这里，您可以看到ADC通道

AIN1N和AIN1P引脚的走线。

注意这些迹线在布线方面

是如何彼此对称并且彼此接近的。

另一个建议是首先将当前通道

放在一起，然后将电压通道

放在一起。

这样做是为了最小化

来自电压电流电路的串扰，

如果执行功率相反的计算，

则可以在低发生时降低有功电量精度。

例如，对于使用四个通道的两相应用，

将ADC通道01分配为电流通道，

将通道2和3分配给电压通道，

或将ADC通道01分配给电压通道，

将通道2至3分配给电流通道。

另外，ADS131M04引脚输出时要注意的一点是

ADS131M04上的AINxP和AINxN引脚

从一个转换器切换到另一个转换器时的顺序。

例如，注意引脚3是AIN0P，引脚4是AIN0N。

但引脚5是AIN1N，引脚6是AIN1P。

在此设计中，交换顺序

通过交换连接到电压和电流端子的

导线的连接顺序来处理。

举个例子，请注意，在PCB上，

J26标题左侧为负，

右侧为正。

但其他当前终端，J25，左侧为正，

右侧为负。

负和正文本

用于指示连接

电流传感器的负端子

和正端子的位置。

因此，这表明当前传感器的

连接顺序从一个通道

交换到下一个通道。